專利名稱:核反應(yīng)堆壓力容器的中子屏蔽板布置的制作方法
本發(fā)明論及到核反應(yīng)堆的中子屏蔽布置，并且比較具體地論述了一種布置，它應(yīng)用中子屏蔽板來保護核反應(yīng)堆容器的選定區(qū)域免受核反應(yīng)堆堆芯發(fā)出的高能中子的撞擊。
在壓水核反應(yīng)堆和沸水核反應(yīng)堆中，通常稱之為反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件的反應(yīng)堆堆芯和其它控制裝置都布置在一個充水的金屬容器中，這兩種反應(yīng)堆都用來產(chǎn)生蒸汽并驅(qū)動蒸汽輪機。在反應(yīng)堆堆芯中進行著裂變反應(yīng)，裂變過程中產(chǎn)生的能量被傳送給水。在壓水反應(yīng)堆中，加熱后的水由水泵從反應(yīng)堆容器抽出流過熱交換器，在熱交換器中加熱水將其熱能傳送給另一個水回路，從而產(chǎn)生蒸汽來驅(qū)動蒸汽輪機，在沸水反應(yīng)堆中，裂變產(chǎn)物的能量被傳送給反應(yīng)堆容器中的水，從而產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動蒸汽輪機。在這兩種類型的反應(yīng)堆中都已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，從反應(yīng)堆堆芯施加到反應(yīng)堆容器上的中子通量會導(dǎo)致反應(yīng)堆容器材料變得脆化。也就是說，由于長期受到高能中子的照射，反應(yīng)堆容器的抗斷裂韌性降低了，假如使這種情況延續(xù)下去的話，最終會導(dǎo)致反應(yīng)堆容器發(fā)生破裂。
過去已經(jīng)應(yīng)用了一些設(shè)計和新技術(shù)來降低反應(yīng)堆容器所受的射線輻射。例如，在壓水反應(yīng)堆中制造廠商已經(jīng)使用一種鋼制的熱屏蔽來降低對反應(yīng)堆容器的射線輻射。在這一設(shè)計中，圍繞并支撐反應(yīng)堆堆芯的芯吊蘭本身由一個2至3英寸厚的園柱形鋼殼所包圍，這一鋼殼大致位于離壓力容器內(nèi)表面和堆芯吊蘭外表面等距離的位置上。在另外一個由美國3，868，302號專利發(fā)表的設(shè)計中認定，撞擊到反應(yīng)堆容器內(nèi)表面上的中子通量水平在沿著園周方向而顯示地改變，所以，在中子通量很高的那些區(qū)域中我們有選擇地增加堆芯吊蘭的厚度。
上述的熱屏蔽設(shè)計能滿足某些核反應(yīng)堆整個運行壽命內(nèi)的允許積分通量(撞擊到單位面積上的中子數(shù))的標準。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，即使采用這樣的屏蔽，某些核反應(yīng)堆中反應(yīng)堆容器中的化學(xué)成份也會使其具有很高的脆化速率。特別是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)構(gòu)成反應(yīng)堆容器的鋼鍛件或鋼板中含有大量的殘留銅和鎳含量(總量約為1%)時，其脆化速率比起不包含這些雜質(zhì)的容器卻有顯著的增加。此外，把鋼鍛件和鋼板焊接起來構(gòu)成反應(yīng)堆容器的任何焊縫當(dāng)其中含有大量的殘留銅和鎳含量時，也會產(chǎn)生不斷增長的脆化速率。
對于含有大量的殘留銅和鎳含量的反應(yīng)堆容器和焊縫來說，上面討論的已知的熱屏蔽設(shè)計可能沒有足夠的降低中子積分通量的能力，從而使制造這種容器的鋼和(或)焊縫不致于超過核管會規(guī)定的關(guān)于反應(yīng)堆預(yù)定運行壽命內(nèi)所容許脆化的屏蔽準則。根據(jù)特定的屏蔽和核反應(yīng)堆，上述已知的熱屏蔽設(shè)計可使中子積分通量大約降低20%至40%。但是，已經(jīng)確定，這種含有大量的殘留銅和鎳含量的反應(yīng)堆容器和容器中的焊縫，如果位于反應(yīng)堆中子高積分通量區(qū)域，則就可能需要屏蔽使中子積分通量降低四分之三或更多。
應(yīng)用某些已知的核燃料管理技術(shù)可將堆芯內(nèi)的燃料組件布置得在某種意義上能使逸出堆芯的中子減到最少，已經(jīng)采用一些核燃料管理技術(shù)使中子積分通量降低二分之一。然而，核燃料管理技術(shù)和已知的屏蔽設(shè)計相結(jié)合，但仍然未能使中子積分通量降低到足以使含有大量的殘留銅和鎳含量的鋼反應(yīng)堆容器的脆化速率保持在容許極限以內(nèi)。
因此，本發(fā)明的主要目的是，為受到高能中子通量輻射時會產(chǎn)生很高脆化速率的核反應(yīng)堆壓力容器的選定區(qū)內(nèi)提供性能增強的中子屏蔽。
按照這一目的，本發(fā)明歸結(jié)為核反應(yīng)堆包括有一個反應(yīng)堆容器;該容器內(nèi)裝有一個反應(yīng)堆堆芯;當(dāng)受到上述堆芯發(fā)出的高能中子轟擊時該容器易產(chǎn)生脆化;上述布置包括有一種屏蔽板，用來保護反應(yīng)堆容器免受高能中子的輻射。本發(fā)明的特點是，在特別易發(fā)生脆化的上述反應(yīng)堆容器的區(qū)域內(nèi)在反應(yīng)堆容器與反應(yīng)堆堆芯之間安裝一個箱盒，并在上述箱盒內(nèi)配置有主要由重金屬和氫組成的材料。
這一箱盒最好安裝在從堆芯周圍的園柱形屏蔽切開的窗口中，也可以把該箱盒安裝在園柱形屏蔽的內(nèi)表面或堆芯吊蘭的外表面上。如果已有的屏蔽是以單塊鋼板的形式固定在堆芯吊蘭的每一個中子高積分通量區(qū)的話，則該箱盒可以安裝在從鋼板適當(dāng)位置處切開的窗口中。
僅僅作為舉例，通過對附圖中所表示的一個推薦的具體實例進行下述說明，將會使本發(fā)明變得更加容易明白。其中圖1是根據(jù)本發(fā)明采用屏蔽板的一個核反應(yīng)堆容器的剖視圖;
圖2是沿著圖1中Ⅱ-Ⅱ線的剖面圖;
圖3是圖2中用點劃線封閉起來的區(qū)域A的放大圖;
圖4是表示圖Ⅰ屏蔽板的部分切開的透視圖;
圖5是表示按照本發(fā)明安裝有屏蔽板的另一個實例的透視圖;
圖6是表示按照本發(fā)明安裝有屏蔽板的又一個實例的透視圖;
圖7是表示按照本發(fā)明應(yīng)用屏蔽板進行屏蔽布置的又一個實例的部分透視圖，圖中的核反應(yīng)堆容器及其堆內(nèi)構(gòu)件被部分切開表示。
現(xiàn)在來參閱附圖，圖1中示出了壓水核反應(yīng)堆裝置中采用的一個長形的、通常為園柱形的規(guī)范設(shè)計的核反應(yīng)堆容器1，反應(yīng)堆容器1有一個通常的半球形底封頭3，至少有一個冷卻水進口接管5和至少有一個冷卻水出口接管7。當(dāng)用頂蓋組件(圖上未示出)在其開口端9進行密封時，容器1成為一個密封的承壓容器。園柱形的堆芯吊蘭11懸掛在容器1的向內(nèi)擴展的法蘭13上。堆芯吊蘭11有一個底部鍛件15，其上有許多沿著其園周配置的凸臺17，它們與相同數(shù)目的鍵形件19相嚙合，以便對堆芯吊蘭11進行周向和徑向定位。
包含有許多燃料組件(圖中未示出)的反應(yīng)堆堆芯21布置在反應(yīng)堆容器1中并支撐在下部堆芯板23上，下部堆芯板23通過連接件25連接到堆芯吊蘭11的內(nèi)壁上。反應(yīng)堆堆芯21由圍板構(gòu)件27圍住，圍板構(gòu)件27具有和通常為矩形的堆芯輪廓相同的形狀，如圖2中清楚地示出。圍板構(gòu)件27通過許多隔板29連接到堆芯吊蘭11上。園柱形的熱屏蔽31布置在反應(yīng)堆容器1的內(nèi)表面與堆芯吊蘭11的外表面之間，并通過連接件33和35固定到堆芯吊蘭11上。眾所周知，堆芯吊蘭11和熱屏蔽31通常都由不銹鋼制成，而容器1用低碳鋼制成，其內(nèi)表面堆焊一層不銹鋼(圖中未示出)。
運行時冷卻水從進口接管5流入反應(yīng)堆容器1，然后向下流過由堆芯吊蘭11外表面與反應(yīng)堆容器1內(nèi)表面形成的環(huán)狀空間。在反應(yīng)堆容器1底部冷卻水向上流過底部鍛件15上的許多開孔36，然后經(jīng)下部堆芯板23中的許多開孔(圖中未示出)向上流過燃料組件(圖中未示出)。接著，已加熱的加壓水流過出口接管7，并輸送到蒸汽發(fā)生器(圖中未示出)，以便驅(qū)動蒸汽輪機(圖中未示出)。
反應(yīng)堆堆芯21中的核燃料發(fā)射出中子，這些中子向外射向反應(yīng)堆容器1。從堆芯射出的中子通量沿園周方向是不同的，在一個典型的反應(yīng)堆設(shè)計中，最高的中子通量在水平面上處于堆芯矩形輪廓的拐角附近，這些拐角在圖2中用參考號數(shù)37來標出。在另一個典型設(shè)計中(圖中未示出)，最高通量水平與圖2所示的拐角37偏離45度。
早以知道，反應(yīng)堆容器的鋼鍛件或鋼板由于高能中子的輻射會變脆。由于這一原因，已經(jīng)使用如圖柱形熱屏蔽31那樣的屏障未降低撞擊到反應(yīng)堆容器1上的中子通量。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)構(gòu)成反應(yīng)堆容器的鋼或者容器中的焊縫成份包含有大量的殘留銅和鎳含量時，這種已知的屏蔽措施就不夠了，對于中子積分通量很高的區(qū)域尤其是這樣。如不采用附加的屏蔽，容器的這些部分可能會變脆以致會導(dǎo)致對裂縫增長的敏感性，這種裂縫增長敏感性可能需要用很費時間，很花錢的工藝技術(shù)來進行補救。
因此，當(dāng)確定在高中子積分通量區(qū)域內(nèi)的焊縫含有大量的殘留銅和鎳含量時，或者當(dāng)反應(yīng)堆容器的鋼本身含有這些殘留元素時，就有必要增加高中子積分通量區(qū)域內(nèi)的屏蔽。本發(fā)明通過提供一種屏蔽板來解決這個問題。由于容器包含大量的殘留銅和鎳含量因而在脆化速率增加的反應(yīng)堆容器區(qū)的附近，可采用這種屏蔽板添加到熱屏蔽中或者用來代替熱屏蔽。
再來參看圖1，反應(yīng)堆容器1由多個鋼殼體段38a～38e組成，它們用焊縫例如用環(huán)形焊縫39焊接在一起。環(huán)形焊縫39位于反應(yīng)堆堆芯的上端與下端之間，因而要經(jīng)過拐角37附近的四個高中子積分通量區(qū)(見圖2)。為了進行說明，假如環(huán)形焊縫39含有大量的殘留銅和鎳含量，因而在受到高能中子照射時容易產(chǎn)生增長的脆化速率。如上所述，已知的熱屏蔽31沒有對這種焊縫提供足夠的屏蔽。根據(jù)本發(fā)明，在環(huán)形焊縫通過高中子積分通量區(qū)的每一個位置上在面對著環(huán)形焊縫39處安裝一塊屏蔽板41。在圖1至圖4所示的本發(fā)明的實例中每一塊屏蔽板41嵌入到熱屏蔽31的窗口中，這些窗口是在每一個高中子積分通量區(qū)對著環(huán)形焊縫的適當(dāng)位置上切開一部分熱屏蔽31而形成的。每一個窗口的尺寸應(yīng)與被嵌入的屏蔽板41的尺寸相適應(yīng)。
參看圖3，按照本發(fā)明推薦的實例，屏蔽板41包括一個箱盒，該箱盒有一個不銹鋼或因科鎳合金制成的外殼43，它使空腔45完全封閉起來，內(nèi)部充填重金屬的氫化物。最好，充填材料包含有氫化鈦(TiH2)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氫化鈦能提供最好的屏蔽。氫化鋯也可用作為充填材料，它單獨使用或與氫化鋯結(jié)合使用均可。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通常將中等重的元素或重元素和氫相結(jié)合使用，可使整個能量區(qū)中的快中子有效地慢化下來。重元素由于非彈性散射碰撞可以有效地將中子慢化到1兆電子伏(mev)。但是，在1兆電子伏左右，重元素對中子的慢化能力還不如輕元素(例如氫)對中子慢化那么有效，輕元素可以通過彈性碰撞有效地慢化中子。
由于有效的屏蔽取決于重元素與氫的配重，因此，金屬氫化物的化學(xué)計量成份在得到最佳屏蔽能力方面起著重要作用。例如，理論上可以使鈦化物中的氫達到飽和，得到氫/鈦比等于2。但在工業(yè)環(huán)境情況下，許多已知的制造工藝技術(shù)產(chǎn)生的氫/鈦比接近1.8。有一種制造工藝技術(shù)稱之為范·霍頓(Van Houten)工藝，在美國3，720，751號和3，720，752號專利中作了說明。
屏蔽系數(shù)隨氫化鈦化學(xué)計量成份變化的靈敏度在下表中反映出來。屏蔽系數(shù)是由于應(yīng)用屏蔽板而使中子通量降低的倍數(shù)。由表可見，氫化鈦的屏蔽性能是隨著含氫量的降低而減小的。
金屬氫化物的密度對于屏蔽系數(shù)也起一定作用。例如，根據(jù)制造工藝，氫化鈦以粉末或碎塊形式出現(xiàn)，其密度范圍可在理論密度的85%至100%之間變化。如下表所示，屏蔽系數(shù)隨密度降低而減小。低密度氫化鈦的屏蔽性能較差，這是因為慢化-散射的相互作用率隨密度成正比例下降。
氫化鈦的厚度也影響到屏蔽系數(shù)，如下表所示。
在下表中的屏蔽系數(shù)包括了1.3厘米厚度不銹鋼箱盒壁的屏蔽作用，箱盒前后壁的總厚度是1英寸。
氫化鈦的屏蔽系數(shù)隨密度、化學(xué)計量成分以及厚度變化的函數(shù)關(guān)系
200 0.85 TiH139.53對每一個特定應(yīng)用場合，必須設(shè)計出箱盒的方位角尺寸和高度尺寸、箱盒的壁厚以及氫化鈦的厚度，這時還應(yīng)考慮到被屏蔽的反應(yīng)堆容器區(qū)的尺寸大小以及要求的屏蔽系數(shù)。例如，在某一情況下，屏蔽板設(shè)計包括有箱盒的水平夾角為50度，高度為76厘米，箱盒壁厚為1.3厘米，氫化鈦的厚度為9.53厘米。上述尺寸屏蔽板的屏蔽系數(shù)在2.0至2.9之間變化，這是根據(jù)氫與鈦的化學(xué)計量比在1.8至2之間變化以及氫化鈦的密度在理論密度的85%＊至100%之間變化而定出的。
參照圖3，它示出了圖2中的點劃線區(qū)A的放大圖，尤其參照圖4，可以看到，屏蔽板41有一個沿著其周邊擴展的法蘭46，而且屏蔽板41被加工成能夠安裝許多螺栓47，用來使屏蔽板固定到熱屏蔽31上。最好，熱屏蔽31設(shè)置有凹形臺階48，使得在安裝后屏蔽板41的外表面與熱屏蔽31的外表面保持齊平。
圖5示出了按照本發(fā)明原則的另一種屏蔽板布置。在圖5中，屏蔽板49有一個不銹鋼或因科鎳合金制成的箱盒，其內(nèi)部充填一種金屬氫化物。這種屏蔽板49用螺栓52連接到園柱形熱屏蔽31的內(nèi)表面50上。屏蔽板49具有和圖1至圖4中的屏蔽板41相類似的屏蔽特性。因為園柱形屏蔽31和堆芯吊蘭11之間的空間是有限的，如圖1和圖2所示，所以屏蔽板49中可以開有一些縱向的流動孔51，以使堆芯吊蘭11與反應(yīng)堆容器1之間的環(huán)形空間中流動的冷卻水可從中流過。
也可以不把屏蔽板49安裝在園柱形屏蔽31的內(nèi)表面，而安裝在堆芯吊蘭11的外表面53上，如圖6所示。
圖7示出了屏蔽板的一種應(yīng)用，它按照本發(fā)明裝在美國3，3，868，302號專利中發(fā)表的分開的熱屏蔽上。分開的熱屏蔽完成園柱形熱屏蔽相同的功能，但是，并不是完整地圍住堆芯吊蘭，而是由多個熱屏蔽塊分別安裝在堆芯其每一個高中子積分通量區(qū)的堆芯吊蘭外表面上。圖7表示了安裝到堆芯吊蘭11上的這樣一種熱屏蔽塊55，熱屏蔽塊55在水平方向有一個與高中子積分通量區(qū)域的水平尺寸相適應(yīng)的弧形板。熱屏蔽塊55的縱向尺寸與反應(yīng)堆堆芯高度近于相等，因為高積分通量區(qū)域延伸到堆芯的整個高度。板蔽板57構(gòu)成的方式與圖1至圖4中的屏蔽板41相似。屏蔽板57通過布置在其外面周圍的許多螺栓裝到從熱屏蔽塊55切開的窗口中。圖7中的反應(yīng)堆容器1有一道環(huán)形焊縫39，如圖1所示，假定這道環(huán)形焊縫具有大量的殘留銅和鎳含量而容易產(chǎn)生較高的脆化速率。因此，將屏蔽板57裝在與焊縫39相對應(yīng)的適當(dāng)位置。
假如構(gòu)成壓力容器1的鋼鍛件、鋼板或縱向焊縫含有銅和鎳因而使它們變得更容易脆化的話，則附圖中表示的屏蔽板的縱向尺寸可以按需要增加，以便復(fù)蓋住容易增長鋼板脆化的整個區(qū)域。在某種情況下，屏蔽板的縱向尺寸可以與擴大到整個堆芯高度的高中子積分通量區(qū)的縱向尺寸相對應(yīng)。
按照本發(fā)明屏蔽板箱盒的構(gòu)成也可根據(jù)特定應(yīng)用的屏蔽要求而加以變化。例如，在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)，屏蔽板也可以由不銹鋼或因科合金的實心塊構(gòu)成。可是不銹鋼或因科鎳合金實心塊的屏蔽性能比上面討論的充填金屬氫化物的箱盒的屏蔽性能要差，所以在特定的應(yīng)用中，比圖1至圖4的園柱形熱屏蔽厚度更厚的不銹鋼或因科鎳合金的實心塊可能會提供足夠的附加屏蔽，以便使中子積分通量降低到容許水平。就本發(fā)明的這一點來說，可使不銹鋼或因科鎳合金實心塊的形狀與圖1至圖4中屏蔽板41的形狀相似。并按上圖中所示的相似方式安裝在熱屏蔽31切開的窗口中。根據(jù)空間限制和易于接近園柱形熱屏蔽31的內(nèi)表面，可使不銹鋼或因科鎳合金的實心塊按照圖5中屏蔽板49類似的安裝方式安裝到園柱形熱屏蔽31的內(nèi)表面上。
權(quán)利要求
1.一個包含有反應(yīng)堆容器(1)的核反應(yīng)堆，一個裝在上述反應(yīng)堆容器(1)內(nèi)的反應(yīng)堆堆芯(21)，在受到上述堆芯(21)發(fā)出的高能中子撞擊時易于脆化的上述反應(yīng)堆容器(1)，用屏蔽扳來保護反應(yīng)堆容器使之免受高能中子輻射的上述布置，其特點是在上述反應(yīng)堆容器(1)的內(nèi)表面與上述的反應(yīng)堆堆芯(21)之間，在上述反應(yīng)堆容器特別易于發(fā)生脆化的區(qū)域(37)中安裝的一個箱盒(43)，以及裝在上述箱盒(43)內(nèi)主要由重金屬氫化物構(gòu)成的材料。
2.按照權(quán)利要求
1的一種核反應(yīng)堆布置，其特點是，上述箱盒(43)由不銹鋼或因科鎳合金組成。
3.按照權(quán)利要求
1和2的一種核反應(yīng)堆布置，其特點是上述材料至少包含有氫化鈦和氫化鋯中的一種。
4.按照權(quán)利要求
1，2和3的一種核反應(yīng)堆布置，其中，屏蔽扳(41，49，57)布置在上述反應(yīng)堆容器(1)與上述反應(yīng)堆堆芯(21)之間，在反應(yīng)堆容器受到很高中子輻射率的區(qū)域(37)中，這種布置的特點是，充填上述重金屬氫化物填料的箱盒(43)安裝在上述屏蔽板上。
5.按照權(quán)利要求
4的一種核反應(yīng)堆布置，其中，堆芯吊蘭(11)圍繞并支撐反應(yīng)堆堆芯(21)，這種布置的特點是，上述屏蔽板(41，49，57)安裝在上述堆芯吊蘭(11)與上述反應(yīng)堆容器(1)之間。
6.按照權(quán)利要求
5的一種核反應(yīng)堆布置，其特點是，構(gòu)成熱屏蔽的鋼殼(31，55)安裝在上述堆芯吊蘭(11)和上述反應(yīng)堆容器(1)之間，上述熱屏蔽鋼殼(31，55)平行于上述反應(yīng)堆堆芯的軸線并與之一起伸長，上述屏蔽板(41，49)直接固定到上述熱屏蔽鋼殼(31，55)上。
7.按照權(quán)利要求
6的一種核反應(yīng)堆布置，其特點是，上述鋼殼(31)與上述堆芯吊蘭是間隔開的，其內(nèi)表面(50)朝著上述堆芯吊蘭，上述屏蔽板(49)安裝在上述熱屏蔽鋼殼(31)上。
8.按照權(quán)利要求
7的一種核反應(yīng)堆布置，其特點是上述熱屏蔽鋼殼(31)有一個對著上述區(qū)域的窗口，上述屏蔽板(41)布置在上述窗口中。
專利摘要
本發(fā)明論及一種核反應(yīng)堆布置，在這種布置中的反應(yīng)堆容器有部分區(qū)域受到從安裝在反應(yīng)堆容器內(nèi)的反應(yīng)堆堆芯發(fā)出的高能中子的撞擊，這種布置包括有一些帶有箱盒的屏蔽板，它們裝在反應(yīng)堆容器和反應(yīng)堆堆芯之間，在反應(yīng)堆容器受到高中子通量照射的區(qū)域中，箱盒內(nèi)充填主要由重金屬氫化物構(gòu)成的物質(zhì)。
文檔編號G21C11/06GK85106787SQ85106787
公開日1987年3月25日 申請日期1985年9月7日
發(fā)明者羅伯特·里羅·特納, 基姆青·特蘭, 斯蒂芬·利斯利·阿伯特, 利納德·理查德·哥里克, 截維·愛德華·伯利 申請人:西屋電氣公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan